Membranes qui modifient la taille de leurs pores en réponse à des stimuli externes, comme le pH, chaleur et lumière, sont sur le point de transformer la science et la technologie de la séparation. Ces membranes intelligentes développées par les chercheurs de KAUST affichent une taille de pores réglable, ce qui signifie qu'ils peuvent séparer sélectivement les composés en fonction de leur taille lorsqu'ils sont exposés à différentes longueurs d'onde lumineuses.

Les réseaux organiques covalents (CON) sont récemment apparus comme des alternatives potentielles sans métal aux matériaux membranaires conventionnels, tels que les charpentes organométalliques et zéolithiques. Ces nanomatériaux poreux cristallins légers, qui résultent de blocs de construction moléculaires organiques maintenus ensemble par de fortes liaisons covalentes, sont stables dans les solvants aqueux et organiques. Ils présentent également une topologie et une taille de pores bien définies, ce qui les rend attractifs pour des applications dans de nombreux domaines, y compris l'adsorption et la séparation des gaz, stockage et conversion d'énergie, optoélectronique, détection chimique et administration de médicaments. Cependant, ces caractéristiques structurelles ne peuvent pas être modifiées, ce qui limite l'applicabilité des membranes.

Une équipe KAUST a maintenant généré une membrane sensible à la lumière en incorporant des unités d'azobenzène commutables par la lumière dans un CON. Ces unités à commutation de lumière adoptent deux configurations différentes en fonction de la longueur d'onde d'irradiation :une géométrie translinéaire lorsqu'elle est exposée à la lumière UV et une géométrie cisbente lorsqu'elle est exposée à la lumière visible. Cette approche a été "inspirée des membranes cellulaires avec des canaux sensibles aux stimuli pour une perméabilité et une sélectivité autorégulatrices en réponse aux signaux environnementaux, " dit le postdoctorant Jiangtao Liu, qui a dirigé l'étude sous le mentorat de Suzana Nuñes.

Les chercheurs ont utilisé des dérivés d'azobenzène portant un groupe réactif à chaque extrémité comme lieurs pour ponter de grandes molécules cycliques flexibles, appelé cyclens, et former un réseau continu. Ils ont dissous des dérivés d'azobenzène dans un mélange dichlorométhane-hexane et les ont cyclés dans de l'eau et ont permis à ces précurseurs de réagir à l'interface aqueux-organique pour produire une membrane autonome. La membrane présentait une "structure unique semblable à un origami qui peut être pliée et dépliée sous la lumière UV et visible, " dit Liu.

En contrôlant la transformation trans en cis de l'azobenzène à l'aide de la lumière, l'équipe a manipulé à distance la taille des pores de la membrane au niveau moléculaire et, par conséquent, a réglé dynamiquement la perméabilité et la sélectivité de la membrane vis-à-vis de diverses molécules de solvant et de colorant. Liu explique que l'exposition à la lumière UV "ferme" les portes et réduit la taille des pores, ce qui peut améliorer la sélectivité membranaire. Inversement, la taille initiale des pores correspondant à l'état "ouvert" peut être récupérée à l'aide de la lumière visible.

L'équipe prévoit d'étendre ses travaux en concevant de nouvelles membranes intelligentes pour l'ADN, Reconnaissance d'ARN ou de virus à l'aide d'interactions hôte-invité uniques.